JPH04303922A - 分子線結晶成長装置および化合物半導体薄膜形成方法並びに半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、分子線結晶成長装置、
特に、シュラウドの構造の改良に関し、例えば、ガリウ
ム砒素化合物半導体基板が用いられた半導体装置の製造
方法に利用して有効なものに関する。

【０００２】

【従来の技術】ガリウム砒素化合物半導体基板が用いら
れた半導体装置の製造工程において、ガリウム・砒素（
以下、ＧａＡｓという。）や、アルミニウム・ガリウム
・砒素（以下、ＡｌＧａＡｓという。）等のヘテロ接合
（異種半導体間の接合）を有するＩＩＩ　−Ｖ族化合物
半導体の結晶を成長させる方法として、分子線エピタキ
シ法（以下、ＭＢＥ法という。）がある。このＭＢＥ法
は、成長させようとする物質を超高真空（約１０−１０
　Ｔｏｒｒ）中で、加熱して蒸発させ、ＧａＡｓ化合物
半導体の基板上に単結晶を堆積させる方法であり、高度
化された真空蒸着法の一種である。

【０００３】このＭＢＥ法を実施する分子線結晶成長装
置として、超高真空チャンバ内の成長室に、結晶が成長
される基板を保持するマニピュレータと、基板に対向す
る位置に配設されている複数の分子線セルと、その主要
部がステンレス鋼により形成されて、各分子線セルの周
りを取り囲むようにそれぞれ配設されており、かつ、冷
却剤が導通されるシュラウド群とを備えている分子線結
晶成長装置がある。

【０００４】なお、分子線結晶成長装置を述べてある例
としては、特開平１−３０５８９０号公報、特開昭６３
−２２４２１４号公報、特開平１−２８６９９０号公報
、がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の分子線結晶成長
装置においては、シュラウドにステンレス鋼が使用され
ているため、ＧａＡｓやＡｌＧａＡｓの成長に使用され
た場合、ＭＢＥ成長層にステンレス鋼中のマンガン（以
下、Ｍｎという。）が取り込まれて汚染されるという問
題点がある。

【０００６】なお、ＭＢＥ法によるＧａＡｓ成長層にＭ
ｎが取り込まれる事実については、ジャーナル・オブ・
アプライド・フィシックス、オプティカル・アンド・エ
レクトリカル・プロパティズ・オブ・マンガン・トープ
ト・ガリウムアーセナイド・グロウン・バイ・エム・ビ
ー・イー、第４６号、第７番、（１９７５年７月）第３
０５９頁から第３０６５頁（Ｊ・Ａｐｐｌ・Ｐｈｙｓ、
Ｏｐｔｉｃａｌ　　ａｎｄ　　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　
　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　　ｏｆ　　Ｍｎ−ｄｏｐｅｄ
ＧａＡｓ　　ｇｒｏｗｎ　　ｂｙ　　ＭＢＥ、Ｖｏｌ・
４６、ＮＯ．７、Ｊｕｌｙ　　１９７５、ＰＰ３０５９
−３０６５）で報告されている。この報告ではＭｎ汚染
の原因について、分子線セル支柱（ステンレス鋼）の加
熱によるものと推論しているが、モリブデン（Ｍｏ）支
柱を用いてもＭｎ汚染は発生するため、これを否定する
ことができる。

【０００７】本発明の目的は、ＭＢＥ成長層がＭｎによ
って汚染されるのを防止することができる分子線結晶成
長装置を提供することにある。

【０００８】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかに
なるであろう。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を説明すれば、次の通り
である。

【００１０】すなわち、超高真空チャンバ内の成長室に
、結晶が成長される基板を保持するマニピュレータと、
基板に対向する位置に配設されている複数の分子線セル
と、その主要部がステンレス鋼により形成されて、各分
子線セルの周りを取り囲むようにそれぞれ配設されてお
り、かつ、冷却剤が導通されるシュラウド群とを備えて
いる分子線結晶成長装置において、前記シュラウドの少
なくとも１基は、その少なくとも一部がマンガンを溶出
しない材料によって形成されていることを特徴とする。

【００１１】

【作用】前記した手段によれば、Ｍｎが分子線セルに混
入ないしは付着するのを回避することができるため、Ｍ
ＢＥ成長層中にＭｎが取り込まれるのを防止することが
できる。

【００１２】

【実施例】図１は本発明の一実施例である分子線結晶成
長装置を示す要部拡大部分断面図、図２はその全体を示
す一部切断正面図、図３は図２のＩＩＩ　−ＩＩＩ　線
に沿う概略断面図、図４はその作用を説明するための拡
大部分断面図、図５は分子線結晶成長装置により得られ
た製品を示す拡大部分断面図である。

【００１３】本実施例において、本発明に係る分子線結
晶成長装置１０は、ＧａＡｓ化学物半導体基板を用いて
ＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ　　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　　Ｍｏｂｉ
ｌｉｔｙＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ：高電子移動度トランジ
スタ）を製造するのに使用されている。

【００１４】本実施例に係る分子線結晶成長装置１０は
、成長室１１、搬送室１２、搬入室１３および搬出室１
４を備えており、各室はそれぞれ独立して真空排気され
るように構成され、成長室１１の超高真空を破らずにＧ
ａＡｓ化学物半導体基板（以下、ウエハという。）１５
を交換し得るようになっている。成長室１１は超高真空
チャンバ（以下、チャンバという。）１１Ａにより形成
されており、このチャンバ内にはワークとしてのウエハ
１５を保持するためのマニピュレータ１６が設けられて
いる。そして、ウエハ１５は成長室１１に隣設された搬
送室１２からハンドラ（図示せず）によってマニピュレ
ータ１６上に供給されるようになっている。また、マニ
ピュレータ１６にはウエハ１５を加熱するためのヒータ
１７が設備されている。

【００１５】成長室１１内における片側端部には分子線
セル（以下、Ｋセルという。）１８が複数基、周方向に
間隔を置いて円形環状に配設されている。各Ｋセル１８
はＧａ、Ａｓ、Ａｌ等の原料が収容されるるつぼ１９と
、るつぼ１９に収容された原料をるつぼ１９を通して加
熱するヒータ２０とを備えている。各るつぼ１９はその
開口がウエハ１５の方向を向くようにそれぞれ配置され
ており、ヒータ２０によって加熱された原料が１個宛の
分子に分かれてるつぼの開口から飛び出し、ウエハ１５
の表面に到達するようになっている。各Ｋセル１８の近
傍にはシャッタ２１がるつぼ１９の開口を開閉するよう
にそれぞれ設備されており、このシャッタ２１の開閉作
動により、各Ｋセル１８からの分子線の発生がオン、オ
フ制御されるようになっている。ＭＢＥ法においては、
通常の真空蒸着法とは異なり、各分子線の発生が各シャ
ッタ２１の開閉作動と、各Ｋセル１８のそれぞれ独立し
た温度制御により各別に制御可能であるため、ドーピン
グおよび組成がきわめて高精度に制御されることになる
。

【００１６】ＭＢＥ法において、高純度の薄膜結晶を得
るためには良質な超高真空が必要である。ところが、ワ
ークとしてのウエハ１５の周囲や、各Ｋセル１８の周囲
には成長結晶に悪影響を及ぼす残留ガス分子（一酸化炭
素、炭化水素等。）の発生が顕著である。このため、ウ
エハ１５の周囲や、各Ｋセル１８の周囲にはウエハ用シ
ュラウド２２およびＫセル用シュラウド２３がそれぞれ
設備されている。これらシュラウド２２、２３の主たる
構成材料はステンレス鋼であり、二重構造に構成され、
その中空部の内部には液体窒素等の冷却流体２６が流れ
るようになっている。つまり、この冷却流体２６によっ
てシュラウド２２、２３が冷却され、その表面に残留ガ
ス分子を吸着させることにより、超高真空が得られるよ
うになっている。

【００１７】特に、Ｋセル１８の周囲に配設されたＫセ
ル用シュラウド（以下、単にシュラウドということがあ
る。）２３は、各Ｋセル１８相互の汚染および温度の影
響を防止する役目も合わせて持っている。そこで、各Ｋ
セル１８の周囲にそれぞれ配設された各シュラウド２３
は残留不純物の吸着することによる各Ｋセル１８相互の
汚染および温度の影響の防止効果を高めるため、各Ｋセ
ル２３全体をそれぞれ覆うように配置されている。

【００１８】そして、本実施例において、少なくとも原
料としてガリウムが収容されることのあるＫセル（以下
、ガリウム用Ｋセルということがある。）１８の周囲に
配設されたシュラウド（以下、ガリウム用シュラウドと
いうことがある。）２３は、ガリウム原料３１から飛び
出したガリウム分子３２が付着してシュラウド２３を構
成する材料の成分が溶出する可能性のある部分（以下、
保護部という。）２４が、タンタル（Ｔａ）、モリブデ
ン（Ｍｏ）またはタングステン（Ｗ）等の１５００℃以
上の融点を有する物質およびその化合物の一例である高
融点金属材料２５を用いられて形成されている。少なく
とも、保護部２４はガリウム原料３１が収容されるＫセ
ル１８を包囲するシュラウド２３において、そのＫセル
１８のるつぼ１９の開口よりも上側に位置する部分であ
って、その開口の垂直投影面を含む部分に設定されてい
る。好ましくは、保護部２４は付着したガリウム分子３
２とステンレス鋼との反応物質が後記するフレークに浸
透するのを未然に防止することができる部分に設定され
る。さらに、望ましくは、保護部２４はガリウム分子３
２が付着し易い部分に設定される。勿論、このガリウム
用シュラウド２３全体を高融点金属材料２５により構成
してもよい。高融点金属材料２５の１５００℃は、Ｇａ
の後記する処理温度９３０℃およびＭｎの融点１２４４
℃よりも所定の余裕をもって高い温度を意味する。

【００１９】次に、前記構成に係る分子線結晶成長装置
１０が使用されたＭＢＥ法を、図５に示されているＨＥ
ＭＴが製造される場合について説明する。

【００２０】予め、成長室における所定の各Ｋセル２３
にはＨＥＭＴを製造するための原料として、ガリウム、
砒素およびアルミニウムがそれぞれ収容されている。

【００２１】搬入室１３から搬送室１２に予め搬入され
ていたワークとしてのウエハ１５が搬送室１２から成長
室１１に搬送される。この成長室１１において、ウエハ
１５はマニピュレータ１６に保持され、ヒータ１７によ
って加熱される。本実施例において、ウエハ１５はＧａ
Ａｓ化合物半導体基板により略円形の薄板形状に形成さ
れている。

【００２２】次いで、成長室１１内が約１×１０−１０
　Ｔｏｒｒまで排気され、ガリウム原料３１のＫセル２
３および砒素原料のＫセル２３が９３０℃および３１０
℃にそれぞれ加熱される。また、ウエハ１５が５４０℃
に加熱される。これらの処理条件により、成長速度が約
１μｍ／ｈで、ウエハ１５上にＭＢＥ成長層が図５に示
されているように順次成長されて行く。このＭＢＥ成長
層の各層は、ガリウム原料のＫセル、砒素原料のＫセル
およびアルミニウム原料のＫセルにおけるシャッタ２１
および加熱温度が適宜制御されることにより、図５に示
されている所望の通り順次形成されて行く。

【００２３】ここで、ＭＢＥ法によるエピタキシャル成
長の概念を図３により説明する。各Ｋセル１８のるつぼ
１９に収容されたガリウム原料３１および砒素原料３３
がヒータ２０により９３０℃および３１０℃にそれぞれ
加熱されると、ガリウム分子３２および砒素分子３４が
それぞれ１個宛に分かれて飛び出し、ウエハ１５に到達
する。到達したガリウム分子３２および砒素分子３４は
、ヒータ１７によって加熱されたウエハ１５の熱エネル
ギーを得て、１個毎の分子に再配列されるため、ウエハ
１５上にはエピタキシャル結晶が成長する。

【００２４】通常の真空蒸着法とは異なり、ＭＢＥ法で
はガリウム分子３２および砒素分子３４の発生が各シャ
ッタ２１および２１の開閉作動と、各Ｋセル１８のヒー
タ２０および２０の温度制御とによりそれぞれ独立して
制御されるため、エピタキシャル成長層におけるドーピ
ングおよび組成がきわめて高精度に制御されることにな
る。したがって、ＭＢＥ成長層においては、超格子構造
の成長も実現することができる。

【００２５】なお、詳細な説明は省略するが、ＭＢＥ成
長層が形成されたウエハ１５にはソース、ゲートおよび
ドレインが、適当な手段により図５に示されているよう
に選択的に形成される。

【００２６】そして、前述したＭＢＥ法が分子線結晶成
長装置１０において繰り返されて行くうちに、図４に示
されているように、各シュラウド２３にはＡｓやＧａＡ
ｓを成分にするフレーク３５が堆積して行く。

【００２７】ところで、ガリウム原料３１が収容された
Ｋセル１８を取り囲んでいるシュラウド２３全体がステ
ンレス鋼により形成されている従来例の場合、ガリウム
用シュラウド２３に付着したガリウム分子３２がこのシ
ュラウド２３の構成材料であるステンレス鋼と反応する
。そして、この反応によって溶解したステンレス鋼の成
分は、シュラウド２３に堆積した前記フレーク３５に浸
透する。その後、このステンレス鋼の成分が浸透したフ
レーク３５が剥離して落下し、ガリウム原料３１が収容
されたるつぼ１９の内部や、ガリウム用Ｋセル２３の頭
部に付着する。このガリウム用Ｋセル２３に付着したス
テンレス鋼の成分中、マンガン（Ｍｎ）は図４に示され
ているように、前記ＭＢＥ法の実施時におけるガリウム
用Ｋセルの９３０℃の加熱温度下においてＭｎ分子３６
になって放出し、ＭＢＥ成長層に取り込まれることにな
る。

【００２８】ＨＥＭＴの製造において、成長したＧａＡ
ｓ膜中にＭｎが取り込まれてＧａＡｓ膜が汚染された場
合、その不純物濃度はＰ型になり、１．１×１０１６ｃ
ｍ−３、と通常よりも約２桁悪いレベルになる。この不
純物濃度レベルはＦＥＴ（電界効果トランジスタ）特性
において、シートキャリア濃度、電子移動度を低下させ
、その結果として、雑音指数の増大が招来される。

【００２９】しかし、本実施例においては、ガリウム用
シュラウド２３には保護部２４が設定されており、この
保護部２４が１５００℃以上の高融点を有する材料２５
が用いられて形成されているため、次のような理由によ
り、ＭＢＥ成長層に不純物が所期以上に取り込まれるこ
とはない。したがって、不純物濃度が低下することはな
く、シートキャリア濃度、電子移動度、雑音指数等も所
期通りに保たれることになる。

【００３０】すなわち、ガリウム用シュラウド２３に付
着したガリウム分子３２はシュラウド２３の構成材料で
ある高融点金属材料２５と反応し、この反応によって溶
解した高融点金属材料２５の成分は、ガリウム用シュラ
ウド２３に堆積したフレーク３５に浸透する。その後、
この高融点金属材料２５が浸透したフレーク３５が剥離
して落下し、ガリウム原料３１が収容されたるつぼ１９
の内部やガリウム用Ｋセル２３の頭部に付着する。そし
て、ガリウム用Ｋセル２３に付着した高融点金属材料２
５は、前記ＭＢＥ法の実施時におけるガリウム用Ｋセル
２３の処理温度９３０℃によって加熱されることになる
。

【００３１】しかし、高融点金属材料２５は１５００℃
以上の高融点金属であるため、蒸気圧が非常に小さく、
ガリウム用Ｋセルの加熱温度９３０℃下においては分子
線としてウエハ１５上には到達し得ない。したがって、
高融点金属材料２５が不純物としてＭＢＥ成長層に取り
込まれることはない。

【００３２】前記実施例によれば次の効果が得られる。 ■　　ガリウム用Ｋセル１８のシュラウド２３における
少なくとも保護部２４を１５００℃以上の融点を有する
高融点金属材料２５を用いて形成することにより、万一
、高融点金属材料２５の成分がガリウム用Ｋセル２３に
付着した場合であっても、高融点金属材料の分子のウエ
ハ１５への到達は回避することができるため、高融点金
属材料２５が不純物としてＭＢＥ成長層に取り込まれる
のを完全に防止することができる。

【００３３】■　　ＭＢＥ成長層に不純物が取り込まれ
るのを完全に防止することにより、ＭＢＥ法によってＨ
ＥＭＴを製造する場合において、シートキャリア濃度や
電子移動度の低下を防止することができるため、雑音指
数の増大等ＨＥＭＴの特性低下を未然に防止することが
できる。

【００３４】■　　従来、Ｍｎ汚染が発生する都度、Ｋ
セルのるつぼや原料を全て交換しており、分子線結晶成
長装置の再立ち上げに多大の手間が浪費されるが、前記
■により、この交換が不要になるため、分子線結晶成長
装置の稼働効率および信頼性を高めることができる。

【００３５】図６は本発明の他の実施例を示す拡大部分
断面図である。本実施例２が前記実施例１と異なる点は
、各シュラウド２３の先端部に遮蔽板２７が突設されて
おり、この遮蔽板２７が１５００℃以上の融点を有する
高融点金属材料２５が用いられて形成されている点にあ
る。

【００３６】本実施例２によれば、前記実施例１と同様
な作用および効果が得られる。

【００３７】以上本発明者によってなされた発明を実施
例に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例に
限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で
種々変更可能であることはいうまでもない。

【００３８】例えば、保護部や遮蔽板は全てのシュラウ
ドに配設する必要はなく、必要最小限のシュラウドに必
要最小限の範囲に配設すればよい。

【００３９】高融点金属材料は単一元素からなる物質に
限らず、酸化物等の化合物で構成してよい。

【００４０】以上の説明では主として本発明者によって
なされた発明をその背景となった利用分野であるＨＥＭ
Ｔを製造するＭＢＥ技術に適用した場合について説明し
たが、それに限定されるものではなく、他の化学物半導
体装置の製造技術、さらには、化合物半導体装置の製造
分野以外におけるＭＢＥ技術全般に適用することができ
る。

【００４１】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、次
の通りである。分子線結晶成長装置において、少なくと
も１基の分子線セルのシュラウドにおける少なくとも保
護部を１５００℃以上の融点を有する高融点材料を用い
て形成することにより、万一、高融点材料の成分がその
分子線セルに付着した場合であっても、高融点材料の分
子の基板への到達は回避することができるため、高融点
材料が不純物としてＭＢＥ成長層に取り込まれるのを完
全に防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の一実施例である分子線結晶成長
装置を示す拡大部分断面図である。

【図２】図２はその全体を示す一部切断正面図である。

【図３】図３は図２のＩＩＩ　−ＩＩＩ　線に沿う概略
断面図である。

【図４】図４はその作用を説明するための拡大部分断面
図である。

【図５】図５はその分子線結晶成長装置によって得られ
た製品を示す拡大部分断面図である。

【図６】本発明の他の実施例を示す拡大部分断面図であ
る。

【符号の説明】

１０…分子線結晶成長装置、１１…成長室、１２…搬送
室、１３…搬入室、１４…搬出室、１５…ＧａＡｓ基板
（ウエハ）、１６…マニピュレータ、１７…ヒータ、１
８…分子線セル（Ｋセル）、１９…るつぼ、２０…ヒー
タ、２１…シャッタ、２２…ウエハ用シュラウド、２３
…Ｋセル用シュラウド、２４…保護部、２５…高融点金
属材料（高融点材料）、２６…冷却流体、２７…遮蔽板
、３１…ガリウム原料、３２…ガリウム分子、３３…砒
素原料、３４…砒素分子、３５…フレーク。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　超高真空チャンバ内の成長室に、結晶
   が成長される基板を保持するマニピュレータと、基板に
   対向する位置に配設されている複数の分子線セルと、そ
   の主要部がステンレス鋼により形成されて、各分子線セ
   ルの周りを取り囲むようにそれぞれ配設されており、か
   つ、冷却剤が導通されるシュラウド群とを備えている分
   子線結晶成長装置において、前記シュラウドの少なくと
   も１基は、その少なくとも一部がマンガンを溶出しない
   材料によって形成されていることを特徴とする分子線結
   晶成長装置。
2. 【請求項２】　　前記シュラウドはその少なくとも一部
   が、１５００℃以上の融点を有する物質または化合物に
   より形成されていることを特徴とする請求項１記載の分
   子線結晶成長装置。
3. 【請求項３】　　前記シュラウドにおける前記ステンレ
   ス鋼の溶出物の前記分子線セル内への落下を回避する位
   置には、前記各分子線セル間の相互汚染および熱影響を
   防止する遮蔽板が配設されており、この遮蔽板はマンガ
   ンを溶出しない材料によって形成されていることを特徴
   とする請求項１記載の分子線結晶成長装置。